MaquinaSter Micas

8082139Sistemas de Generacin Distribuida

TEMA 2 1 TEMA 2.1 Maquinas Trmica Maquinas Trmica

Prof. Francisco M. [email protected]

Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, [email protected] 2008

Sistemas de Generacin DistribuidaTEMA 2: Tecnologas Empleadas en la Generacin Distribuida

http://www.giaelec.org/fglongatt/SistGD.html


Maquina Trmica



Maquinas Trmicas Las mquinas trmicas a todos aquellos sistemas que

funcionando peridicamente sean susceptibles defuncionando peridicamente sean susceptibles detransformar calor en trabajo.

El calor puede proceder, en la mayora de los casos,p p , y ,de una reaccin qumica (combustin), siendoabsorbido por el fluido o agente motor, encargado deponer en movimiento los mecanismos que ejercen lasfuerzas sobre el medio exterior.



Motores Diesel Turbina a Gas

Maquinas Trmicas La combustin se puede realizar:

Fuera de la mquina trmica, (motores de combustinFuera de la mquina trmica, (motores de combustinexterna):

De movimiento alternativo, como las mquinas de vapor de mboloD i i i l bi d De movimiento rotativo, como las turbinas de vapor

Dentro del mismo cilindro de trabajo (motores decombustin interna):)

De movimiento alternativo, como los motores de explosin De movimiento rotativo, como las turbinas de gas



Maquinas Trmicas Los principios que gobiernan la operacin de stas

mquinas son los denominados ciclosmquinas son los denominados ciclostermodinmicos.

En funcin de ellos, los motores de combustin,interna, recaen en cuatro tipos: Motor cclico Otto, Motor diesel, Motor rotatorio y

T b d b Turbina de combustin.




Generador con Maquinas Generador con Maquinas de Combustin Internade Combustin Interna

- Generadores empleando Motores Diesel-



Introduccin Dominan el mercado cuya capacidad se encuentra por

debajo de 1 MW.debajo de 1 MW. Representa el 5% (146 GW) de la capacidad de

generacin instalada a nivel mundial (3000 GW).g ( ) En EE.UU: 52 GW (7%) de los 780 GW de

capacidad instalados son motores reciprocaste,300.000.

Holanda, China e Indonesia, las del 25% de lacapacidad instalada son MR.



ClasificacinMaquina trmica de combustin Interna:

M d i i i hi (SI k i i d) Motores de ignicin por chispa (SI: spark-ignited),tpicamente emplean la gasolina o el gas natural comocombustiblecombustible

Motores de ignicin por compresin (CI:i i iti d) t i t t b jcompression ignitied), tpicamente trabajan con

combustible diesel.



Clasificacin Todos los motores operan a cuatro ciclos: admisin,

compresin, explosin (power) y escape.compresin, explosin (power) y escape. Motores ignicin chispa, no son empleados en

generadores del tipo diesel.g p Motores empleando ignicin por compresin, es

tpico de generadores diesel.



Clasificacin Los motores reciprocantes, o a pistn, son la ms

comn y tcnicamente madura de las tecnologascomn y tcnicamente madura de las tecnologasempleadas en las fuentes de generacin distribuida.

Los motores de combustin interna pueden serpclasificados: Alta velocidad Media y Baja velocidad.j



Clasificacin Unidades de alta velocidad: motores de camiones y

operan a 1200-3600 rpm. Bajo costo de capital, bajap p j p , jeficiencia

Unidades de velocidad media: locomotoras yypequeos motores marinos, 275 y 1000 rpm, altocosto de capital pero una la mas alta eficiencia.

Unidades de baja velocidad: barcos, 58 y 275 rpm,son diseados para quemar combustibles de baja

lid dcalidad



Clasificacin Motor usualmente directamente acoplado al

generador y opera a velocidad sincrnicagenerador y opera a velocidad sincrnica Generadores pequeos: 3600 rpm (60 Hz), 3000 rpm

(50 Hz) 2 polos.( ) p Generadores medianos: 1800 rpm (60 Hz), 1500 rpm

(50 Hz) 4 polos. Generadores grandes: 1200 rpm (60 Hz), 750 rpm

(50 Hz) 6 u 8 polos.

120Polos de NumeroRPM Frecuencia =



120

Sistema de Refrigeracin Sistema de refrigeracin: (1) Aire, (2) Lquidos. Aire se emplea en generadores de pequeo y mediano Aire se emplea en generadores de pequeo y mediano

tamao. Refrigerado por aire tienen a ser mas ruidososRefrigerado por aire tienen a ser mas ruidosos. El sistema de refrigeracin por liquido se usan en

maquinas grandes, y pueden incluir refrigeracin delmaquinas grandes, y pueden incluir refrigeracin delaceite.

El radiador puede estar ubicado en un sitio diferente,p ,y resultan menos ruidoso.



Sistema de Refrigeracin



Sistema de Lubricacin



Aplicacin Gensets, tamaos que van desde menos de 5kW hasta

mas de 7 MW.mas de 7 MW. Se emplean en generacin de respaldo (bak-up

power).p ) Usados en combinacin con un UPS de 1-5 minutos

(Uninterruptible Power Supply), el sistema es capazde suplir si problemas durante una salida del sistema.

Grandes motogeneradores pueden ser usados paracarga base (base-load), soporte de malla, o aplanadode demanda (peak shaving).



Intercambiador de Calor



Sistema de Combustible



Combustibles Cuando se comparan eficiencias de los motores, se

debe tomar en cuenta los BTU/kWh.debe tomar en cuenta los BTU/kWh. La diferencia entre motores diesel y a gas se centra en

la forma en que entra el combustible a la cmara def qcombustin.

En el motor diesel el combustible es introducido aalta presin en la cmara.

En el motor a gas de baja presin es necesario unaserie de reguladores.



Combustibles

Sistema de Combustible a gas, con detalle del regulador



Combustibles Motores a gas operan a una relacin de compresin

de 10:1.de 10:1. Motores diesel operan a una relacin de compresin

entre 13:1 a 22:1. Al aumentar la compresin aumenta la salida de

potencia. Motor diesel tiende a ocupar menos espacio debido a

su mayor densidad de potencia. Motor diesel responden mas lento a los cambios en la

carga pero operan mejores a cargas constantes.



Combustible Para una misma potencia de salida, el motor diesel es

mas barato que el motor a gas.mas barato que el motor a gas. El combustible diesel es mas costoso que el

combustible de gas natural (para el mismo contenidog (pcalrico, BTU).

Si la maquina operara un numero grande de tiempo,es recomendable el uso del gas natural.

El gas natural no es disponible en todo lugar, y elcombustible diesel debe ser transportado.



Combustible

Comparacin entre los motores conignicin por chispa (SI) e

ignicin por compresin (CI) con el g p p ( )mismo desplazamiento

en pulgadas cubicas



Eficiencia La regla general es que 1/3 de la energa contenida

en el combustible es trabajo til.en el combustible es trabajo til. La eficiencia de las maquinas ha crecido en el

tiempo; la actual se aproxima al 40%.p ; p Al eficiencia, varia con el punto de operacin de la

maquina. Fuera de la carga y velocidad de diseo (off design

load), la eficiencia cae.



Eficiencia Los motores de tamao grandes pueden durar 20-30

aos mientras motores ms pequeos (

Eficiencia El futuro se busca mas bajo consumo de combustible

y una eficiencia en eje mas alta, 50 a 55% en motoresy una eficiencia en eje mas alta, 50 a 55% en motoresgrandes (> 1MW) para el ao 2010.

Las emisiones descontroladas de NOx (especialmente Las emisiones descontroladas de NOx (especialmentemotores diesel) son las mas altas de todas lastecnologas GFD.g



Emisiones Contaminantes

Niveles de Emisin de Motores Reciprocantes TpicosGas Natural Diesel

Gas de salida, ppmv @15% O

Gas de salida, ppmv @15% O@15% O2 ppmv @15% O2

NOx descontrolada 45-200 450-1,600NOx con sistema 4-20 45-160control emisiones 4 20 45 160

CO descontrolada 140-700 40-140CO con catalizador 10 70 3 13de oxidacin 10-70 3-13



Caractersticas El tiempo de arranque es de 0.5 a 15 minutos. Alta tolerancia para arranques y paradas Alta tolerancia para arranques y paradas. Menor cantidad de calor remanente puede ser

recuperado que las turbinasrecuperado que las turbinas. Partes del motor construidas para 8000 horas de

operacin.operacin. Los cambios regulares de aceite y filtro son

requeridos a 700 1000 horas de operacin.q p El rendimiento del ciclo Diesel aumenta cuando

aumenta la relacin de compresin



p

Costos El mas bajo costo inicial de todas las tecnologas

FGD.FGD. El costo de capital de un conjunto de un generador

que usa gas como combustible (genset) tiene unq g (g )paquete que varia en un rango desde los 300US$/kWa los 900US$/kW.

El costo total de instalacin puede ser 50-100% msque el costo del motor mismo.



Tasa Interna de Retorno

Maquinas empleadas en peak shaving



q p p g3200 horas/anno

Incremento a Velocidad Un sustancial aumento en la potencia de salida son

logrados con un incremento en la velocidad delogrados con un incremento en la velocidad deoperacin.

El incremento de potencia de salida posee un efectop p finverso en el costo instalado por unidad.

Un modesto incremento en costo puede serencontrado debido a los requerimientos de fortalezaen los motores de mas alta velocidad



Incremento a VelocidadDescenso del costo de capital con incremento

en velocidad de la maquinaVelocidad Potencia Costo

900 1200 rpm

en velocidad de la maquina

900 1200 rpm900 rpm 365 kW 300 US$/kW1200 rpm 480 kW 300 US$/kW1200 rpm 480 kW 300 US$/kW

1200 1800 rpm1200 rpm 480 kW 300 US$/kWp1800 rpm 725 kW 300 US$/kW



Costos Operativos y de CapitalCosto de capital y mantenimiento de diferentes

tamaos y combustible

(kW) CombustibleCostocapital

Operacion y Mantenimiento

tamaos y combustible

(kW) Combustible capital (US$//kW)

Mantenimiento(US$/kW)

50 Gasolina 475 55250 Diesel 590 22

1000 Diesel 475 1.891100 Gas Nat. 590 2.7



Costos Costo total instalado (puede suponer entre un 50-

100% de aumento respecto al precio del motor, i.e de100% de aumento respecto al precio del motor, i.e de700 a 1200$/kW)

Mantenimiento cada 700-1000 h de uso (0.005-(0.01$/kWh), siendo ms baratos los que utilizan gasnatural



Fabricantes DTE energy technologies Power Plus Technologies GmbH Power Plus Technologies GmbH Cummins Generac Power Systems

www.dteenergy.com

www.ecopower.de Generac Power Systems Honda Power Equipment

K hl G twww.cummins.com

Kohler Generatorswww.generac.com

www.ddcmtupowergeneration.com

www.hondapowerequipment.com

p g



www.kohlerpower.com www.guascor.com


Generador con Maquinas Generador con Maquinas de Combustin Externade Combustin Externa

- Generadores empleando Motores Stirling-



Ciclo Stirling Los motores Stirling son clasificados como motores

de combustin externa. Estn sellados con un fluido de trabajo inerte,

usualmente entre helio o hidrogeno. Fue patentado en 1816 y fueron comnmente usados

antes de la primera guerra mundial. Motor Stirling fue inventado en 1816 por Robert Stirling, reverendo escocs.



Ciclo Stirling Ciclo Stirling de un Motor de Aire Caliente



Ciclo Stirling



Ciclo Stirling Generalmente encontrados en pequeos tamaos (1-

25kW)) Capacidad de producir unos 200 a 400 kWh al mes

equipos de 1 a 2 kW de potencia aproximadamente. Motor Stirling es el nico capaz de aproximarse

(tericamente lo alcanza) al rendimiento mximoterico conocido como rendimiento de Carnotterico conocido como rendimiento de Carnot.

En lo que a rendimiento de motores trmicos serefiere, es la mejor opcin.refiere, es la mejor opcin.



Motor Stirling Los datos de rendimiento sobre motores Stirling son

difciles de obtenerdifciles de obtener. La energa de un motor Stirling trmico (STM:

Striling Termal Motor) posee una unidad de 25 kWStriling Termal Motor) posee una unidad de 25 kWcon una real eficacia elctrica de aproximadamente el30 %,

Se estima que aumente esta eficacia al 34 %



Motor Stirling Los costos de capital (2.000- 50.000 US$/kW) son

relativamente altos y no son actualmenterelativamente altos, y no son actualmentecompetitivos.

No hay aun experiencia acumulada.y p



Discos Solares

La continua expansin y refrigeracin delLa continua expansin y refrigeracin del fluido de trabajo causa el movimiento del pisto crea un efecto de refrigeracin.E i d i ll dEstos tipos de sistemas son llamados refrigerantes Stirling o (cryocoolers) y pueden mantener la temperatura tan bajo



p p jcomo 10 Kelvin (-263C, y 442 F)

Fabricantes Kockums (http://www.kockums.se/) 25kW Stirling Energy Systems Inc Stirling Energy Systems, Inc

(http://www.stirlingenergy.com) 25kW Stirling Technology Company Stirling Technology Company

(http://www.stirlingtech.com) 55 a 3.000 watts.Sti li T h l I (htt // ti li Stirling Technology, Inc. (http://www.stirling-tech.com) 5 HP

Sunpower Inc (http://www sunpower com) Sunpower, Inc. (http://www.sunpower.com) WhisperTech Ltd (http://www.whispergen.com) 5-

6kWDr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, [email protected]

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6kW

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